磁控濺射氧化鈦薄膜的光學性能

程 芳，黃美東，王麗格，杜 姍，唐曉紅，劉春偉

（天津師范大學物理與電子信息學院，天津300387）

氧化鈦薄膜堅硬、抗化學腐蝕，在整個可見和近紅外光譜區都是透明的，具有很高的折射率[1]，同時，氧化鈦薄膜具有優良的介電、壓電、氣敏和光催化性能，在微電子、光學、傳感器和光催化等方面應用廣泛.氧化鈦薄膜優異的性能和良好的應用前景使其成為目前的研究焦點，其中研究制備氧化鈦薄膜的工藝具有重要的現實意義[2-5].制備氧化鈦薄膜的方法很多，有包括電子束蒸發、活化反應蒸發、離子束技術、離化團束（Ionized Cluster Beam，ICB）技術和直流（交流）反應磁控濺射技術在內的物理氣相沉積法，還有化學氣相沉積法和溶膠-凝膠（sol-gel）法等，其中反應磁控濺射金屬Ti靶的方法成膜效率高，可以制備出具有較高折射率的高質量氧化鈦薄膜，而且磁控濺射工藝較為穩定、易于控制[6-8]，因此，本研究采用磁控濺射法制備氧化鈦薄膜.

1 實驗過程

薄膜樣品在FJL560CI2型超高真空磁控濺射系統上采用RF反應磁控濺射法制備獲得.濺射靶材為直徑50.9 mm、厚度5 mm的高純度（99.99%）金屬鈦靶，以K9雙面拋光玻璃作為基底.鍍膜時基底在上，靶材在下，可防止污染物玷污基底.鍍膜前，將光學玻璃片浸泡在丙酮中，用超聲波振蕩10 min，再用無水乙醇清洗.光學玻璃基底裝在可繞中心軸旋轉的襯底架上.每次濺射前，都要預先在純Ar氣體中放電約5 min，當觀察到靶表面輝光放電的顏色由粉紅色變為藍白色或者放電電壓迅速下降到某一穩定值時，表明氧化物已除去.之后，便可通入氧氣進行反應濺射沉積薄膜樣品.濺射前的本底真空為4×10-4Pa，濺射氣體為氬氣（99.999%），反應氣體為氧氣（99.999%），氬氣流量為80 cm3/min，氧氣流量為4 cm3/min，工作氣壓為0.2 Pa，濺射偏壓為100 V，濺射時間為3 h.

利用Rigaku D/max 2500 v/pc型X線衍射儀對薄膜的晶態結構進行測試[9-10]，測定光源為Cu Kα射線，掃描范圍為 10°～80°，步長為 0.02°，管電壓為 40 kV，管電流為100mA.采用美國J.A.Woollam公司生產的M-2000DI型橢偏儀[11-12]測量不同入射角下薄膜的光學常數，該橢偏儀所得橢偏參數φ和Δ的精度優于0.015°，測量的波長范圍為250～1 700 nm，光線入射角分別為55°、60°和65°，采用儀器自帶的Wvase32軟件獲得薄膜的折射率n、消光系數k和厚度d數據.利用Origin軟件對所得數據進行擬合，得到折射率n和消光系數k隨波長變化的關系曲線.利用WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀測量薄膜的透射率T，測試的波長范圍為200～800 nm，波長分辨率為0.2 nm，并將測試結果與由傳輸矩陣法獲得的理論計算結果進行比較.

2 結果與討論

2.1 薄膜的結構

圖1為樣品的X線衍射結果，衍射圖譜中僅呈現了一個寬大的主峰，其寬度達到20°，該峰應該是基底玻璃的無序結構對X線彌散衍射產生的結果.除此之外，X線圖譜基本看不出其他衍射峰，這說明鍍制的薄膜呈非晶態，這是因為濺射離子能量低，且薄膜沉積過程中基底沒有加熱，導致成膜粒子能量太低不足以形成晶態膜.由于薄膜呈非晶態，所以由XRD衍射結果無法確定薄膜的物相和成分，但在沉積過程中，由于只有氬氣和氧氣通入沉積腔室，在真空等離子體環境中，形成的化合物應為鈦的氧化物.因此，可將該膜稱為TiOx.

圖1 薄膜樣品的X線衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of the film sample

2.2 薄膜的光學性能

圖 2是入射角分別為 55°、65°和 75°時，由橢圓偏振譜儀測得的TiOx薄膜橢偏參數φ和Δ隨波長λ變化的情況.

圖2 不同入射角θ情況下，TiOx薄膜橢偏參數φ和Δ隨波長λ變化的曲線Fig.2 Dependence of the parameters φ and Δ on wavelength at different incidence angles

將由橢偏儀獲得的橢偏參數φ和Δ設為擬合參數，由橢偏儀自帶的Wvase32軟件可以得到薄膜厚度d、折射率n和消光系數k隨波長λ的變化關系，其中n和k隨λ的變化關系如圖3所示.

圖3 利用橢偏法計算得到的薄膜n和k隨波長的變化曲線Fig.3 Calculated n and k changing with wavelength by ellipsometer measurement

由圖3可以看出，TiOx薄膜的折射率在300～600 nm范圍內迅速減少，隨后隨著波長的增加而緩慢減小，并保持在2.15左右，屬于正常色散.TiOx薄膜消光系數隨波長的變化情況具有相同的趨勢，在300～400 nm范圍內直線下降，由0.8迅速減小到接近0.03，即對光的吸收迅速減弱，然后隨著波長的增加基本保持不變，這說明在波長λ大于400 nm的可見光與紅外光波段，TiOx薄膜具有很好的透射性能.

基于最小二乘法，利用Origin軟件對圖3中的折射率n和消光系數k進行數值擬合[13－14]，從而得到TiOx薄膜折射率n和消光系數k的色散關系，即：

將數值擬合結果與測試所得折射率n和消光系數k隨波長的變化關系（圖3）進行對比，結果如圖4所示.由圖4可以看出，二者在所研究的光波范圍內吻合，說明表達薄膜色散關系的式（1）和式（2）可靠.

圖4 測試與擬合得到的折射率n和消光系數k隨波長變化關系曲線的對比Fig.4 Comparison of tested and fitted curves for refractive index and extinction coefficient changing with wavelength

在式（1）、式（2）和由橢偏儀獲得的薄膜厚度d=146.4 nm的基礎上，利用傳輸矩陣法可以對TiOx薄膜的透射率進行理論計算[15].傳輸矩陣法的實質是把電磁場在實空間的格點位置展開，利用傳輸矩陣來反映電磁場空間的變化關系.設光沿z軸方向傳播，電磁場在xOy平面的分量分別記為Ex、Ey、Hx和Hy.

式（3）中：k0=2π/λ0，Δ 為傳輸矩陣，具體表達式可參考文獻[15]。

當光在均勻介質中向前傳播h距離（即從z=z到z=z+h的位置）時，由式（3）可得

由式（4）可知光傳播h距離前后的電磁場變化，進而可以計算光的透射率等性質。

將理論計算結果與由WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀直接獲得的TiOx薄膜透射譜進行比較，如圖5所示.由圖5可以看出，TiOx薄膜的透射率測量結果和理論計算結果在350～800 nm范圍內吻合，且由濺射法獲得的TiOx薄膜在可見光波段透射率大于70%，具有較高的透射率，說明薄膜是透明的，與此波段消光系數較小相吻合.

圖5 實驗測試與理論計算的透射譜Fig.5 Comparison of the simulated transmittance spectrum with the measured one

3 結論

（1）采用磁控濺射方法獲得TiOx薄膜樣品，X線衍射結果表明鍍制的TiOx薄膜呈非晶態.

（2）薄膜的折射率在 300～600 nm范圍內迅速減少，然后隨著波長的增加而緩慢減小，其折射率保持在2.15左右.薄膜的消光系數與折射率具有相似的趨勢，在300～400 nm范圍內直線下降，從0.8迅速減小到接近0.03，然后隨著波長的增加基本保持不變.

（3）通過橢圓偏振譜儀對TiOx薄膜的折射率n和消光系數k進行分析，確定制備所得的TiOx薄膜為透明膜，并獲得了該TiOx薄膜的光學性能參數，為光子晶體結構設計提供了基礎依據.

（4）理論計算的透射譜與實驗測試結果一致.

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